Mit 100000 Sachen um die Sonne -- warum merken wir nichts davon?

From the umbrella under the rain to the theory of relativity

Applet im eigenen Fenster, Höhe 576, 640 oder 768
The applet shows the line of arguments that led form the aberration of star-light to the invention of the relativity of simultaneity, which is the basis of the understanding of the properties of space and time after Einsteins construction of the (special) theory of relativity. Das Applet zeigt die Schlussfolge, die von der Aberration des Sternenlichts bis zur Entdeckung der Relativität der Gleichzeitigkeit führt, die allem Verständnis der Eigenschaften von Raum und Zeit nach Einsteins Konstruktion der speziellen Relativitätstheorie zugrundeliegt.
Additional applet: The sky on the earth's orbit depending on the velocity of the observer
In the first panel, the rain is falling perpendicular to the surface. Two umbrellas show the direction the rain comes from. You may set the red one in motion with the button row called "observer". In motion, the red one has to be inclined with respect to the black one, the inclination toward the direction of its motion. We all now this a from ordinary rain and ordinary umbrellas. In the panel, you may change your point of view by accelerating the camera. When it has the same velocity as thew observer, it represents the observers view who sees the rain really coming from the direction of his umbrella. Now the black one is moving with respect to the red one, and inclines his umbrella with respect to the red one in the direction of his motion. The aberration is an effect of relative motion and symmetric, of course. Das erste Panel zeigt, wie Regen senkrecht nach unten fällt. Zwei Schirme zeigen in die Richtung, aus der der Regen kommt. Mit den Observer-Knöpfen kann man den roten in Bewegung setzen. Er muss sich nun in die Bewegungsrichtung neigen. Wir kennen das alle von gewöhnlichem Regen und gewöhnlichen Schirmen. Man kann nun seinen Gesichtspunkt wechseln und die Camera bewegen. Wenn diese mit dem Schirm Schritt hält, stellt sie dar, dass der Regen für den bewegten Beobachter wirklich von vorn kommt. Analog ist nun der schwarze Schirm gegen den roten bewegt und er neigt seinen Schirm gegen den den roten wieder in seine Bewegungsrichtung. Die Aberration ist ein Effekt der relativen Bewegung und symmetrisch.
Star-light shows the same effect. The earth moves during the year in different directions, and when we look into this direction, the stars always seem to shift a tiny little bit (at maximum 20 arcsec) into the field of view. This effect was hailed in 1729 as a proof of the copernican system, and Newton's emanation hypothesis for light as well. Sternenlicht zeigt genau diesen Effekt. Die Erde bewegt sich im Laufe des Jahres in verschiedene Richtungen, und wenn wir in diese schauen, scheinen die Sterne immer ins jeweilige Gesichtsfeld gedriftet zu sein. Der Effekt ist sehr klein (maximal 20 arcsec), aber er wurde 1729 als Beweis für das Copernicanische System wie auch für Newtons Emanationshypothese des Lichts gefeiert.
In the second panel, where the rain comes in showers, we may observe the first announcement of the problem: The direction of the shower fronts does not change at all. This is curious, because the observation of both the direction of the rain as well as the direction of shower fronts would allow to determine a relative velocity to the standing observer without looking at it. This is a contradiction to Galileos principle of relativity: a relative velocity cannot be determined without having notice from the object of reference (In Galileo's words, you cannot find out about the motion of a sailing boot under the deck, without looking outside). Das zweite Panel zeigt die erste Ankündigung des Problems: Wenn der Regen in Schauern kommt, zeigen die Schauerfronten keine Aberration. Das ist merkwürdig, denn es erlaubt dem roten Beobachter, seine Relativgeschwindigkeit zum schwarzen festzustellen, ohne nach ihm zu sehen, einfach durch Messung der Differenz zwischen Tropfenrichtung und Frontbewegung. Das ist ein Widerspruch zu Galileos Relativitätsprinzip: eine Relativgeschwindigkeit kann nicht bestimmt werden ohne vom Bezugsobjekt Kenntnis zu nehmen (In seinen Worten: Man kann in einer geschlossenen Kabine unter Deck nicht feststellen, ob der Segler abgelegt hat oder nicht.).
The third panel makes it more drastic: We have light, light is a wave, the wave fronts do not show aberration. Fresnel, in 1824, called this the most difficult problem of the wave theory of light. The excuse is evident. A wave is not only characterized by its crests, but may exhibit structures on the crests, and these may move also transversally to the wave (remind the waves at sea, when the wind direction differs from the direction of the waves rolling toward the strand). Fresnel identified the piece of the wave cut by the aperture lens of the telescope as such a structure, and the aberration of star-light was again correctly described. Das dritte Panel zeigt es drastisch: Wir beobachten Licht, Licht ist eine Welle, und die Wellenfronten zeigen keine Aberration. Fresnel nannte das 1824 das schwierigste Problem der Wellentheorie des Lichts. Die Ausrede ist evident: Wenn eine Welle auf ihrem Kamm Strukturen trägt, können diese sich auch längs des Kamms bewegen (das sehen wir am Strand, wenn der Wind quer zu der Richtung weht, in der die Wellen auf den Strand rollen). Fresnel identifiziert das vom Teleskopobjektiv ausgeschnittene Stück der Wellenfront als solche Struktur und findet an ihr die Aberration des Sternenlichts.
The fourth panel shows the price Fresnel had to pay for his excuse. The propagation velocity of light must be anisotropic now, and this anisotropy must be observable also inside the telescope. (To see this, we install a light source inside the telescope and watch the propagation of its spherical signal propagation.) Although this could not be tested at Fresnels time, it was understood as shattering Galileo's principle of Relativity again. So the ether was invented as carrier of light waves. The measurement of anisotropy is a measurement of relative velocity to this ether, and not to the other, unseen, observer. Galileo's principle is saved, but the ether is not influenced by the frame of the telescope, or by the earth itself. He passes all matter undisturbed. Das vierte Panel zeigt den Preis, den Fresnel zahlen musste: Die Ausbreitung des Lichts ist nun nicht mehr isotrop, und die Anisotropie ist auch innerhalb des Teleskops beobachtbar. (Um das zu sehen, monitieren wir eine Lichtquelle im Innern des Teleskops und beobachten die Ausbreitung der angeregten Kugelwellen.) Das konnte zu Fresnels Zeiten nicht geprüft werden, aber es musste als Brechung des Relativitätsprinzip verstanden werden. So wurde die Unterstellung des Äthers, einer Trägersubstanz der Lichtwellen erforderlich. Die Messung der Anisotropie ist dann eine Messung der Geschwindigkeit gegen den präsenten Äther und das Relativitätsprinzip scheint gerettet. Der Äther darf nun aber durch das Teleskop und selbst durch die Erde nicht gestört werden.
Michelson, in 1881, was the first to be able to test the anisotropy of light propagation. His experiment in the cellar of the Astronomical Observatory Potsdam showed, that the ether - so it exists, but nobody doubted - is well influenced by matter, it is enclosed in the cellar like air: Fresnels excuse does not work, the explanation of the aberration of star-light breaks down. Michelson war der erste, der die Anistropie der Lichtausbreitung, die Bewegung gegen den Äther testen konnte. 1881 stellte er im Keller des Astrpophysikalischen Observatoriums Potsdam fest, dass die Lichtausbreitung doch isotrop ist. Er schloss, dass der Äther doch wie die Luft von den Wänden eingeschlossen wird, und für die Aberrartion eine andere Erklärung gefunden werden muss.
The fifth panel shows the conclusion of Lorentz and Drude: One must accept, that wave front have to show aberration, too. What does this imply? For the black observer, the wave fronts reach the ground simultaneously. For the red, the moving one, this can be the case no more: At the places in front of him, events simultaneous for the black one happen the earlier, the farer they are, and at the places behind him, they happen the later the farer they are. Simultaneity is different for observers in relative motion. This curious time was called virtual by Lorentz and Drude. Das fünfte Panel zeigt den Schluss von Lorentz und Drude: Man muss akzeptieren, dass die Wellenfronten selbst Aberration zeigen müssen. Was bedeutet das? Für das schwarze Teleskop erreichenn die Wellenfronten an allen Stellen gleichzeitig den Boden. Für den dagegen bewegten Beobachter sind die Wellenfronten geneigt, das heißt, vor dem roten Teleskop finden die für das schwarze gleichzeitigen Ereignisse um so früher statt, je weiter sie entfernt sind, und hinter dem Teleskop finden sie um so später statt, je weiter sie entfernt sind. Gleichzeitigkeit wird von zueinander bewegten Beobachtern verschieden bewertet. Diese merkwürdige Zeit wurde von Lorentz und Drude virtuelle Zeit genannt.
In the sixth panel we can understand why the relative simultaneity saves as well the universal isotropic propagation for observers in relative motion. When the camera points to the black telescope, the propagation is isotropic with respect to this black telescope. When the camera points to the red telescope, the propagation is isotropic with respect to this red one again. Das sechste Panel zeigt, dass die relative Gleichzeitigkeit auch für eine universell isotrope Lichtausbreitung sorgen kann. Hält die Camera auf den schwarzen Beobachter, sieht sie dort isotrope Ausbreitung, hält sie dagegen auf den roten, ist die Lichtausbreitung dort isotrop.
Einstein's starting point was not the aberration or the result of Michelson's experiment, but more general ideas about the propagation of light. His principle was the universal isotropy of light propagation, christened misunderstandably "constancy of the velocity of light". Please remind the definition of the electrostatic and the magnetostatic units of chagres, currents etc. Their relation is the square of a velocity, which must be constant when Galileo's principle of relativity holds, so the corresponding velocity (which could be determined as near to the velocity of light) could no more subject to the rule of additive composition of velocities. Einsteins rule, derived from his principle, provided for a simple explanation of Michelson's result, that the latter was from then on put at the foundation of the theory. Relativity was reinstalled, and no ether necessary any more. Einstein begann nicht mit dem Problem der Aberration oder dem Michelson-Versuch, sondern mit allgemeineren Vorstellungen über die Lichtausbreitung. Sein Prinzip war das der universellen Isotropie der Lichtausbreitung, das missverständlich Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit genannt wird. Erinnern wir uns an die Gaußsche Definition der elektrostatischen und magnetostatischen Einheiten von Ladung, Strom etc. Ihr Verhätnis ist der Betrag einer Geschwindigkeit, die von Relativgeschwindigkeiten nicht abhängen darf, wenn man an Galileis Relativitätsprinzip festhalten will. Deshalb kann sich die entsprechende Geschwindigkeit (von der man nachweisen konnte, dass sie etwa gleich der Lichtgeschwindigkeit ist) nicht einfach additiv mit anderen Geschwindigkeiten zusammensetzen. Einstein konnte zeigen, wie die Zusammensetzung aussehen muss. Seine Regel erklärt das Ergebnis von Michelsons Versuch ganz elementar, und der Versuch wurde nun zur Grundstütze der Theorie. Die Relativität war ohne Ätherhypothese rehabilitiert und der Äther deshalb überflüssig.


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